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肠道微生物与应激和免疫的关系

时间:2012-09-26 09:38来源:英杰科技 作者:周博士 点击:

肠道微生物与应激和免疫的关系

周勃 博士 香港英杰生命科技有限公司

摘要:肠道粘膜屏障是机体抵抗外界环境对动物造成不利影响的第一道防线。各种应激因素均会不同程度造成机体肠道损伤,乳酸菌减少,防护能力降低,继而导致动物生产性能降低。应激造成肠道损伤进而造成大量内毒素入侵是各种应激因素造成危害的核心所在。在生产中合理使用乳酸菌可以减少应激,改善动物生产性能。

前言

在讨论应激相关话题的时候,绝大多数研究人员将目光聚焦在体液代谢的酸碱平衡和离子平衡的改变方面,而忽视了应激对肠道微生物区系的影响以及如何通过改善肠道微生物平衡来缓解各种应激因素对动物生产性能造成的负面影响。
众所周知,肠道中的乳酸菌是家禽、家畜和人类消化道中的优势菌。实际上,对所有恒温动物而言,乳酸菌都是肠道的优势菌群。恒温动物进化了几千万年甚至更久远,最终选择乳酸菌作为肠道主要的优势菌群,必然有其奥妙。动物肠道内乳酸菌属的微生物与其他常见的有益微生物种类如芽孢杆菌或者酵母菌等相比,最主要的差别在于前者通常能够在消化道定植(当然,不同乳酸菌在肠道的定植能力不同)而后两者不能。乳酸菌在动物消化道内定植是一个非常重要的特性,乳酸菌能够在肠道形成一道粘膜保护屏障,使得动物免受各种病原微生物的侵害。几千万年进化形成的肠道优势菌群-乳酸菌,带给我们的绝不仅仅是改善消化这一点点益处!乳酸菌在帮助动物提高免疫力方面已经得到大量研究的证实,这一点对于如何正确理解并在实践中使用乳酸菌可能更为关键。Nahanshon等(1994)发现,给蛋鸡饲喂乳酸杆菌导致肠道粘膜的免疫系统反应增强,免疫球蛋白IgA分泌增加。Dunham等(1993)报道,给肉鸡饲喂一种乳酸菌使得肠绒毛高度增加,隐窝变深,这种变化源于T-细胞功能加强、抗-沙门氏菌的免疫球蛋白IgM产量增加。

乳酸菌与应激的关系

在动物遭受热应激时,传统的理论是动物通过神经内分泌途径改变生理代谢并达到新的平衡。临床采取的解决热应激的措施也基本上是遵循这一思路。但是,新的证据显示,用这样的理论解释动物对热应激的反应可能并不完全。利用大鼠作为研究模型发现,热应激会导致肠道出血、炎症反应并引起肝、肾损害。同样的现象在家禽中也可以发现。另外,热应激导致的动物采食量降低并不能马上随天气凉爽而恢复,需要滞后一段时间。这些现象都不能够通过现有的基于神经系统调节的热应激机理得到合理的解释。
Bouchama等综合了使用小鼠、大鼠模型进行的各种应激研究结果,提出了一种全新的观点:应激损伤肠道屏障,接着肠道内毒素侵入体内是导致一系列热应激症状的核心所在。内毒素是革兰氏阴性菌细胞膜的组成成分,当革兰氏阴性菌与水接触 (Ryslander, 2007)以及使用抗生素时(细菌被杀死,释放出内毒素;Tuin, 2007),或者在细菌分裂和生长过程中,内毒素会从细胞膜中释放出来(Dentener et al.)。热应激导致的肠道屏障功能损伤会使得内毒素很容易通过肠道进入血液从而引发一系列生理反应。内毒素可通过与特异性细胞受体的结合激活体内的单核/ 巨嗜细胞系统,使机体释放多种具有危害性的细胞因子,主要是肿瘤坏死因子-α、白介素-1 等, 从而引发异常免疫反应,引发细胞死亡和使毛细管渗透性增加、体温升高、采食量下降等一系列热应激症。正常情况下,肠道内乳酸菌形成的粘膜屏障可保护机体免受内毒素的侵害。但是,在热应激情况下,由于肠道粘膜脱落,大量乳酸菌减少,机体的肠道免疫防护能力降低,通过肠道渗透到血液中的内毒素的量可增加三倍(Shapiro et al.,1986)。
最近,胡艳欣等(2009)对猪进行的热应激研究结果支持了这一观点。研究表明:猪遭受热应激后,采食量显著下降。肠黏膜结构受到严重损伤,尤其是十二指肠受损最为显著。表现为黏膜上皮变性、大面积脱落,固有层裸露,肠腺萎缩,显著水肿。各段肠道绒毛长度、隐窝深度、V /C值及绒毛宽度定量检测结果表明,热应激导致猪十二指肠、空肠、回肠的绒毛长度、宽度、隐窝深度及V /C均呈下降趋势,其中绒毛宽度均显著变窄( P < 0. 05)。显然,这样的肠道结构为内毒素入侵机体敞开了大门!
广东许多大型猪场的现场使用经验也从侧面印证了这样的观点。在热应激条件下,给母猪和生长育肥猪饲喂“盛肥速得”(一种进口复合乳酸菌),均不同程度(10-20%)提高了动物的采食量。这是一种仅仅通过肠道调节机制提高采食量的途径而没有通过神经-内分泌调节途径的方法!上述各种研究至少表明,原有的热应激理论并不完善。

事实上,肠道乳酸菌等优势菌群并非仅仅在热应激条件下才发挥作用。在其他各种应激条件下,肠道乳酸菌均能够发挥重要作用。Ait-Belgnaoui等(2009)的研究表明,给大鼠饲喂一种乳酸菌能够显著减少脊髓神经中Fos蛋白的数量。Fos蛋白是一种与应激有关的特征表达蛋白。这说明除了在肠道水平,乳酸菌还能够在神经水平减轻应激对动物造成的不良影响。俞海峰(2007)年的研究证实:日粮中添加乳酸菌(发酵乳酸杆菌和/或者复合乳酸杆菌)不仅能提高断奶仔猪的平均日增重、粗蛋白质的表观消化率,而且提高了仔猪断奶后14天的抗OVA抗体水平(P<0.05)。实际上,由于集约化养殖导致动物并非只在夏天才遭受应激的影响,在日常生产中,抗生素的使用、高密度养殖、饥饿、笼养、转栏、合群、驱赶以及限位栏饲养、天气突变等多种因素都可导致动物应激。在集约化养殖条件下,动物的应激现象随时可以看到。使用乳酸菌可以帮助猪场克服和缓解各种日常应激因素对猪群造成的不利影响,提高生产成绩。猪场的养殖数据表明:在非热应激条件下,使用“盛肥速得”复合乳酸菌可以提高采食量5-10%,改善饲料转化效率2-5%。
实际上,动物在遭受各种应激因子的影响后,肠道内菌群均会发生紊乱,这种变化的共同特点是:乳酸菌减少,大肠杆菌或者其他条件性致病菌增加(Cole,1994 表一)。
表一 应激因子对动物消化道菌群的影响
应激因素 动物种类 产生的效果
饥饿 鼠类 减少乳酸菌,增加大肠杆菌
 家禽 减少乳酸菌
抗生素治疗 人类 减少乳酸菌,增加链球菌
笼养 家禽 增加大肠杆菌
运输 家禽和猪 减少乳酸菌,增加大肠杆菌

《每日科学》杂志(Science Daily,Apr.29,2006)报道了一项新的研究成果。使用大鼠模型,科学家发现饲喂乳酸菌能够将缺水,害怕等应激因素对动物造成的负面影响降到最低。大鼠经受缺水应激后,肠道会出现“渗漏”现象,并且有害菌在肠壁的定植数量会大大增加。同时,在大鼠肠系膜淋巴结中发现了病原微生物。这表明,受到应激后,有害菌穿透了肠道粘膜屏障,进入动物的身体,诱发了动物的抵抗反应。 而使用乳酸菌以后,有害菌向肠壁内部的迁移数量会大大减少。美国动物营养专家Dr.Julia J. Dibner指出(内部交流),由于应激造成的肠道后部菌群向上迁移,通过破损的肠壁进入肝脏、肺、肾、胰脏从而造成损害带来的影响远比我们想象的严重得多。甚至很多猪、禽的肢蹄症状也并非因为生物素或者锌元素缺乏引起的,而是肠道毒素问题造成的!

乳酸菌改善胴体品质

 减少应激的好处不仅仅表现在动物生产性能的改善,动物的皮毛外观和胴体品质也能得到明显改善。在美国,一个0-20周的火鸡试验表明,饲喂一种乳酸菌(嗜酸乳杆菌)以后,试验组的火鸡平均比对照组增加重量1.6磅/只,采食量多2.577磅/只。除了生产性能更好以外,试验组火鸡的羽毛更加完整,颜色更加富有光泽。屠宰试验表明,试验组的火鸡胴体质量更重,肝脏颜色更深,显得更结实;同时,试验组的火鸡,其皮肤和脂肪的颜色更白,脂肪也更紧凑。相反,对照组的火鸡,其肝脏显得肿大并且柔软、颜色不均匀,脂肪颜色发黄,小肠也更厚,更重,有粘膜充血的现象。研究者认为,看起来乳酸菌能够使得火鸡更加有效地利用色素。更重要的是,肝脏和小肠的形态结构表明试验组火鸡更加健康,暗示着添加乳酸菌以后,试验组的火鸡受到的应激压力更低!在最近的一项研究中(孙建广等,2009),在生长育肥猪(20-90kg)通过使用发酵乳杆菌替代抗生素(150ppm金霉素),不仅获得了更好的生产性能(增重改善5%,FCR降低2.5%),而且育肥猪的猪肉品质得到了改善,表现为猪肉滴水损失降低,肌肉红度值较高,显著提高了肌肉中多不饱和脂肪酸的含量(P<0.05)。尽管文章没有指出这样结果的原因,但是笔者推测可能与发酵乳杆菌减少动物应激有关。

乳酸菌与免疫的关系

肠道菌群十分复杂,对宿主正常粘膜免疫系统发挥重要的作用,其组成与数量的差异都会影响宿主的免疫系统。肠道菌群组成的防御屏障具有免疫排除(immune exclusion),免疫清除(immune elimination)和免疫调节三个方面((immune regulation)的作用。肠道粘膜是宿主动物防御外来抗原或外部环境对机体造成影响的重要屏障,肠道许多淋巴组织对普遍存在的抗原都能够建立起合适的免疫反应。肠道相关淋巴组织与摄入的抗原相互作用以后,不仅可保证宿主抵抗病原菌的入侵,也可在某种程度上防止宿主动物对摄入的蛋白质产生过敏反应。在肠道粘膜系统中,与上皮细胞相关的滤泡上有一种特殊的M细胞,其主要功能为摄人抗原,并将其运送到淋巴组织,与B细胞、T细胞进行免疫辨认,启动适当的免疫反应。当肠道粘膜免疫反应被启动以后,T细胞与B细胞会进入血液循环系统,并被运送到其他粘膜表面。因此,肠道局部的免疫反应也会影响到其它粘膜表面的免疫反应,从而导致广泛的免疫应答效应。粘膜免疫系统对细菌病原体的抑制分为两类:直接对大多数细菌的非特异性抑制;或者针对某种特定病原体的特异性抑制。乳酸菌进入肠道后,可吸附于上皮细胞,而且可能附著于M细胞的表面,刺激肠道相关淋巴组织,调节免疫反应。

乳酸菌对于提高动物非特异性免疫方面的作用在临床医学上早已有大量报道,在动物营养方面的研究报道也日渐增多。
阿木尔吉日嘎拉等(2006)研究发现,给小白鼠灌服一种干酪乳杆菌和嗜酸乳杆菌或其发酵乳后,其血清中的IgG含量和肠粘膜粘液中SlgA含量较未饲喂乳酸菌的对照组明显提高(P<0.05)。随着时间的延长,IgG含量和SlgA含量有上升的趋势;并且均提高了小白鼠外周血清中CD3+,CD4+、CD8+T细胞的比例,优化了T细胞CD4+/CD8+亚群的比值(p<0,05)。说明这两株乳酸菌能够增强小白鼠的体液免疫功能和细胞免疫功能。
Lessand和Batsson等在断奶前哺乳仔猪试验日粮中添加0.1%的某种乳酸杆菌,再分别于7周龄、8周龄接种传染性胃肠炎病毒疫苗,10天后采血检测IgG抗体。结果表明,乳酸杆菌制剂与传染性胃肠炎病毒疫苗有很好的联合效应,能增加血清中特异性抗体IgG的生成,并降低仔猪腹泻发生率。H.S.Gill等用霍乱毒素疫苗、破伤风毒素疫苗与乳酸杆菌和双歧杆菌联合使用后,和没有使用益生菌的对照组相比,粘膜抗体水平、血清抗体水平有较大的提高,差异显著。在人体和动物的研究中,通过食物摄入乳酸菌或酸奶,均可促进单核细胞和巨噬细胞的吞噬活性(Schiffrin,1995,1997)。在研究酸奶和牛奶对机体免疫的影响时,Goulet等(1989)发现,给动物饲喂含双歧杆菌,嗜酸乳杆菌,干酪乳杆菌的酸奶之后,其肺泡巨噬细胞的吞噬活性较饲喂超高温处理牛奶的对照组显著升高。Puri等(1996)也曾报道,在受到沙门氏菌攻击时,摄入酸奶的小白鼠血清中IgA抗体的浓度显著高于牛奶对照组。Yasui等发现口服短双歧乳酸杆菌可激活小白鼠体液免疫系统,提高抗轮状病毒抗体IgA或抗流感病毒抗体IgG的产量。研究表明,乳酸菌还可促进腹泻的康复,对预防和辅助治疗轮状病毒感染造成的腹泻特别有效(Kaila,1995;Sinmon,1999;Yasui,1999)。笔者在现场的使用经验以及与大型饲料厂和养殖场的技术主管交流的结果也完全支持这样的观点:使用“盛肥速得”乳酸菌的猪群在发生细菌性腹泻的情况下,自愈很快,而且可以迅速恢复采食量。

小结

在养殖现场,应激问题常常导致免疫问题的发生从而导致疾病问题发生,给生产者带来巨大的经济损失。毋庸置疑,深入了解乳酸菌在动物应激方面发挥的作用有助于我们采取更加有效的措施来缓解应激对动物生产性能造成的负面影响。尽管理论上,乳酸菌在抵抗应激方面的效果值得肯定,但是并非所有乳酸菌都能够取得好的效果。已经证实,乳酸菌在肠壁的定植和粘附能力是乳酸菌能够发挥抵抗应激的主要原因,也是乳酸菌增强动物免疫力的关键所在。肠道内原籍的内源性猪源约氏乳酸杆菌与外籍的枯草芽孢杆菌相比,在减缓仔猪断奶前SIgA 抗体水平降低方面效果更好(倪学勤等,2008)。Jin等(1996 c)发现,分离得到的乳酸杆菌中,仅仅26%能够中等强度或者比较强地黏附在肉鸡小肠回肠上皮细胞。乳酸杆菌黏附小肠上皮细胞的能力差异极大。不同乳酸杆菌品种,甚至同一种乳酸杆菌的不同株,其定殖能力均不相同(Barrow et al.,1980;Kleeman and Klaenhammer,1982;Jin et al.,1996 c) 。因此,正确选择乳酸菌也是发挥其抗应激效果的重要环节。

 


作者简介:
周勃,2000年中国农业大学获得博士学位,动物营养专业。历任日本味之素,美国达农威,丹尼斯克动物营养(英国芬兰国际)和香港英杰生命科技有限公司的技术服务经理,对酶制剂和益生素的理论和应用有独到的见解。

通讯地址:湖南省长沙市芙蓉路458号平安大厦701房间
邮编:410005

(责任编辑:admin)
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